原创 【原】基于STM32的MP3播放器设计与实现（一）（提供MDK完整源码）

本文将介绍一个利用STM32处理器实现简易MP3 Player的设计实例，这个综合应用实例有助于读者了解STM32、SPI接口、SD卡、TIMER、中断、FAT文件系统、USB等的应用。

这里提供了两种设计方案，第一种方案是简易声波播放器，仅使用STM103V100评估板，令计时器TIM4工作在PWM模式下，将wav格式的声波文件从SD卡中读出，由TIM4产生不同频率的方波通过低通滤波器和放大器送喇叭，如图1所示；第二种方案则是简易MP3播放器，还需要使用额外的解码芯片，将MP3格式的文件从SD卡读出，然后送解码芯片解码播放，如图2所示。本节将先介绍SD卡、FAT16文件格式、VS1003编解码器等关键部分，然后再分别给出两种设计方案的软件设计。

图1 简易声波播放器方案

图2 简易MP3 Player方案

1 SD卡的结构及读写方法

STM103V100评估板有SD连接器，其使用SPI总线与STM32处理器连接，如图3所示。

图3 SD连接器与STM32处理器SPI连接图

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件，SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。本小节仅简要介绍在SPI模式下，STM32处理器如何读写SD卡，如果读者如希望详细了解SD卡，可以参考相关资料。SD卡内部结构及引脚如图4所示。

图4 SD卡内部结构及引脚

SD卡主要引脚和功能为：

n         CLK：时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在0～25MHz之间变化，SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生0～25MHz的频率；

n         CMD：双向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答，回复可以来自单卡或所有卡；

n         DAT0～3：数据线，数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。

     SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI模式下其命令由6个字节构成，其中高位在前。SD卡命令的格式如表1所示，其中相关参数可以查阅SD卡规范。

表1 SPI命令格式

下面分别给出读写SD卡的两个函数：

n         读取SD卡函数u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead);

/*****************************************************************

* Function Name : MSD_ReadBlock

* Description    : Reads a block of data from the MSD.

* Input          : - pBuffer : pointer to the buffer that receives the data read

*                    from the MSD.

*                  - ReadAddr : MSD's internal address to read from.

*                  - NumByteToRead : number of bytes to read from the MSD.

* Output         : None

* Return         : The MSD Response:

- MSD_RESPONSE_FAILURE: Sequence failed

*                   - MSD_RESPONSE_NO_ERROR: Sequence succeed

*****************************************************************/

u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)

{

  u32 i = 0;

  u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;

  /* MSD chip select low */

  MSD_CS_LOW();

  /* Send CMD17 (MSD_READ_SINGLE_BLOCK) to read one block */

  MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);

  /* Check if the MSD acknowledged the read block command:

 R1 response (0x00: no errors) */

  if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR))

  {

    /* Now look for the data token to signify the start of the data */

    if (!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ))

    {

      /* Read the MSD block data : read NumByteToRead data */

      for (i = 0; i < NumByteToRead; i++)

      {

        /* Save the received data */

        *pBuffer = MSD_ReadByte();

        /* Point to the next location where the byte read will be saved */

        pBuffer++;

      }

      /* Get CRC bytes (not really needed by us, but required by MSD) */

      MSD_ReadByte();

      MSD_ReadByte();

      /* Set response value to success */

      rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;

    }

  }

  /* MSD chip select high */

  MSD_CS_HIGH();

  /* Send dummy byte: 8 Clock pulses of delay */

  MSD_WriteByte(DUMMY);

  /* Returns the reponse */

  return rvalue;

}

n         写读取SD卡函数u8 MSD_WriteBlock(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

/*****************************************************************

* Function Name : MSD_WriteBlock

* Description    : Writes a block on the MSD

* Input          : - pBuffer : pointer to the buffer containing the data to be

*                    written on the MSD.

*                  - WriteAddr : address to write on.

*                  - NumByteToWrite: number of data to write

* Output         : None

* Return         : The MSD Response:

- MSD_RESPONSE_FAILURE: Sequence failed

*                   - MSD_RESPONSE_NO_ERROR: Sequence succeed

*****************************************************************/

u8 MSD_WriteBlock(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

{

  u32 i = 0;

  u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;

  /* MSD chip select low */

  MSD_CS_LOW();

  /* Send CMD24 (MSD_WRITE_BLOCK) to write multiple block */

  MSD_SendCmd(MSD_WRITE_BLOCK, WriteAddr, 0xFF);

  /* Check if the MSD acknowledged the write block command:

R1 response (0x00: no errors) */

  if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR))

  {

    /* Send a dummy byte */

    MSD_WriteByte(DUMMY);

    /* Send the data token to signify the start of the data */

    MSD_WriteByte(0xFE);

    /* Write the block data to MSD : write count data by block */

    for (i = 0; i < NumByteToWrite; i++)

    {

      /* Send the pointed byte */

      MSD_WriteByte(*pBuffer);

      /* Point to the next location where the byte read will be saved */

      pBuffer++;

    }

    /* Put CRC bytes (not really needed by us, but required by MSD) */

    MSD_ReadByte();

    MSD_ReadByte();

    /* Read data response */

    if (MSD_GetDataResponse() == MSD_DATA_OK)

    {

      rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;

    }

  }

  /* MSD chip select high */

  MSD_CS_HIGH();

  /* Send dummy byte: 8 Clock pulses of delay */

  MSD_WriteByte(DUMMY);

  /* Returns the reponse */

  return rvalue;

}

2 FAT16文件系统简介

     SD卡如果采用FAT16文件格式，按照其不同的特点和作用大致可分为5 部分：MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。由于SD卡一般不做引导盘，一般也不分区，因此通常无MBR区，直接从DBR区开始。下面对后面四个区分别作简介：

n         DBR区

    内容为系统引导记录，它包括一个引导程序和一个被称为BPB（Bios Parameter Block）的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区根目录是否有操作系统引导文件，如果有则将其读入内存，并把控制权交给该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、根目录大小、FAT个数，分配单元大小等重要参数。本系统采用的DBR结构为：

typedef __packed struct

{/* 由于Cortex-M3内核默认以对齐方式访问，因此可能导致结构体元素之间有“空隙”，读出的结构体元素有误，因此需要加上关键字__packed，强制其以压缩方式存储结构体。这样该结构体在内存空间上是一片连续的空间，不存在“空隙”情况。其它地方同理 */

     u8         BS_jmpBoot[3];     //ofs:0.典型的如：0xEB,0x3E,0x90

     u8         BS_OEMName[8];  //ofs:3.典型的如：“MSWIN4.1”

     u16        BPB_BytesPerSec;  //ofs:11.每扇区字节数

     u8         BPB_SecPerClus;          //ofs:13.每簇扇区数

     u16        BPB_RsvdSecCnt;         //ofs:14.保留扇区数，从DBR 到FAT 的扇区数

     u8         BPB_NumFATs;     //ofs:16.FAT 的个数，通常为2

     u16        BPB_RootEntCnt;         //ofs:17.根目录项数

     u16        BPB_TotSec16;            //ofs:19.分区总扇区数（<32M时用）

     u8         BPB_Media;        //ofs:21.分区介质标识，SD卡一般用0xF8

     u16        BPB_FATSz16;             //ofs:22.每个FAT 占的扇区数

     u16        BPB_SecPerTrk;           //ofs:24.每道扇区数，对于SD卡无意义

     u16        BPB_NumHeads;    //ofs:26.磁头数，对于SD卡无意义

     u32        BPB_HiddSec;       //ofs:28.隐藏扇区数，从MBR到DBR的扇区数

     u32        BPB_TotSec32;      //ofs:32.分区总扇区数（≥32M时用）

     u8         BS_DrvNum;         //ofs:36.软盘：0x00，硬盘：0x80，SD卡无意义

     u8         BS_Reservedl;       //ofs:37.保留

     u8         BS_BootSig;         //ofs:38.扩展引导标记：0x29，通常对于SD卡无意义

     u32        BS_VolID;          //ofs:39.盘序列号

     u8         BS_VolLab[11];    //ofs:43.如“Msdos ”

     u8         BS_FilSysType[8];  //ofs:54.“FAT16 ”

     u8         ExecutableCode[448];         //ofs:62.引导代码

     u8         ExecutableMarker[2];    //ofs:510.结束标识:0xAA55

} FAT_BPB;

n         FAT区

    该区内容为文件分配表，FAT16文件系统进行空间分配的最基本单位是簇。文件分配表反映了SD卡所有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。对于FAT16来说，FAT表每项占用两个字节。FAT表的第一项通常为FFF8H。对于其它项，若其值为0000H表示可用；FFF7H表示为坏簇；FFF8H-FFFFH之间表示该簇为某文件或目录的最后一个簇，FFF0H-FFF6H之间为保留值；其它值则指示下一个簇的簇号。

n         FDT区

   该区的内容为文件目录表，FAT文件系统的一个重要思想是把目录（文件夹）当作一个特殊的文件来处理，FAT32甚至将根目录当作文件处理。FAT分区中所有目录文件，实际上可以看作是一个存放其它文件（文件夹）入口参数的数据表。因此，目录占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小，但也不等于0，通常是占很小的空间。其具体的存储原理是：不管目录文件所占空间为多少簇，一簇为多少扇区、多少字节；系统都会以32个字节为单位，进行目录文件所占簇的分配。本系统目录项使用的结构体如下：

typedef __packed struct

{

u8            FileName[8];            //ofs:0.文件名

u8            ExtName[3];            //ofs:8.扩展名

u8              Attribute;                 //ofs:11.文件属性。典型值：存档(0x20)、卷标(0x08)

u8             Reserved[10];          //ofs:21.保留

u16            Time;                     //ofs:22.时间

u16            Data;                    //ofs:24.日期

u16            StartClus;                      //ofs:26.开始簇号

u32            FileLength;               //ofs:28.文件长度

} DIR;

   由于篇幅关系，这里不能对上面各字段进行一一介绍。

本系统支持长文件名和汉字显示，如果使用短文件名，则以ASCII编码；当文件名超过8个字节，扩展名超过3字节时，就以长文件名的形式存储，长文件名中的字符采用UNICODE形式编码，每个字符占据2个字节的空间，其目录项中偏移为11的字节即Attribute字段为0FH。在存储时将长文件名以13个字符为单位进行切割，每一组占据一个目录项，所以可能一个文件需要多个目录项，这时长文件名的各个目录项按倒序排列在目录表中，以防与其他文件名混淆。

本系统采用串口作为输入输出接口，通过在PC的超级终端中输入命令来对其进行控制，并在超级终端中显示输出的结果，如路径、目录列表、文件名等相关信息。超级终端输入输出的汉字以GB2312编码、输入输出英文字符以ASCII编码，而长文件名以UNICODE编码。因此需要将UNICODE编码转化为GB2312或ASCII编码来和用户交互。这里使用一张排序二维表，里面有7000多个汉字UNICODE编码对应的GB2312编码。这里查找算法采用二分查找算法，大大提高了查找效率，这对于嵌入式应用很关键。

n         DATA区

    该数据区存放文件的内容，SD卡所占用的空间绝大部分为此部分。如果文件长度大于一个簇的大小，需要多个簇存放该文件，这些放通过FAT链表串连起来。

3 VS1003-MP3/WMA音频编解码器简介

     VS1003是由芬兰VLSI Solution Oy公司所设计的一款单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器，它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP处理器核VS_DSP4。该芯片内部结构如图5所示，其特点如下：

图5 VS1003内部结构及引脚

n         可解码MPEG 1和MPEG 2音频层III（CBR+VBR+ABR）、WMA 4.0/4.1/7/8/9 5-384kbps 所有流文件；WAV(PCM+IMA AD-PCM)，可产生MIDI/SP-MIDI 文件；

n         可对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMA ADPCM编码；

n         支持MP3和WAV流；

n         高音、低音控制；

n         单时钟操作（12..13MHz）；

n         内部PLL锁相环时钟倍频器；

n         低功耗

n         内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差；

n         内含能驱动30欧负载的耳机驱动器；

n         模拟、数字、I/O单独供电；

n         为用户代码和数据准备了5.5KB片上RAM；

n         串行的控制、数据接口；

n         可被用作微处理器的从机；

n         特殊应用的SPI Flash引导；

n         供调试用途的UART接口；

n         新功能可以通过软件和4个GPIO添加。

    限于篇幅，这里不对VS1003芯片作详细介绍，读者有兴趣可查阅相关资料及数据手册。

注意，VS1003可以作为一个微控制器的从机，通过串行SPI接口来接收输入的比特流，输入的比特流被解码后，可以通过一个数字音量控制器到达一个18 位过采样多位DAC。这样利用一个VS1003芯片与STM32F103x处理器配合，STM32处理器读取SD卡中的MP3文件，将其通过SPI接口送往VS1003芯片播放，然后再利用STM32F10X处理器的一些GPIO口来控制VS1003即可以实现一个MP3 Player的原形设计。